2024年新型工業(yè)控制藍皮書-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

）： 1一般公認的工業(yè)演進歷程分為四次工業(yè)革命，分別是第一次工業(yè)革命-機械化時命-信息化時代。伴隨著四次工業(yè)革命，工業(yè)控據(jù)采集系統(tǒng)）、DCS（分散控制系統(tǒng)）與管理計算機、實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，實現(xiàn)復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)處理，提高信息化時代。21世紀初，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生全新技術(shù)革命，工業(yè)控制技術(shù)通過2自20世紀70年代工業(yè)領(lǐng)域邁入自動化時代以來，基于ISA-95架構(gòu)的L1和L2層的制造控制層的軟硬件結(jié)構(gòu)未有變動，傳統(tǒng)工業(yè)控制設(shè)備硬制造業(yè)工廠雖已實現(xiàn)基于DCS、PLC等計算機控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程自動以往工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作普遍圍繞打通生產(chǎn)管理層和運營管理層的數(shù)據(jù)3不能有效地交換和共享。另外，在傳統(tǒng)ISA采集和集成處理是實現(xiàn)工廠實現(xiàn)智能化升級的必要前提條4術(shù)支持不足，系統(tǒng)運維便面臨重重困難。此外，隨著信息與通信技術(shù)（ICT）與工業(yè)控制的深度融合，傳統(tǒng)的OT工程師掌握的技能棧往往局限更容易、資源調(diào)度更簡潔。新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈5跨層級傳輸，控制器將不再是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的瓶頸力基座，為軟件化的控制功能部署提供可靠承載，并集成5G、確定性網(wǎng)絡(luò)等連性。同時，5G等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了高帶寬、低時延和高可靠性，并催生出如67（4）智能化：從依賴人工經(jīng)驗的專家系統(tǒng)控制走向基于數(shù)據(jù)分8的云-邊-端三層體系架構(gòu)。L3（生產(chǎn)管理層）和L4（經(jīng)營管理層）的企業(yè)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)如ERP、MES等，正逐步從傳統(tǒng)的單機系統(tǒng)架構(gòu)向云化架構(gòu)轉(zhuǎn)型，實業(yè)控制體系架構(gòu)以“控制+計算”為核心，覆蓋從工業(yè)現(xiàn)場的海量數(shù)據(jù)的采集，9制系統(tǒng)的廣泛互聯(lián)與實時數(shù)據(jù)交換能力，是開放協(xié)線技術(shù)包含工業(yè)5G、工業(yè)Wi-Fi和星閃燈，根據(jù)通信距離、功耗、傳輸速率等5G通信的高速率、低時延和大連接三大特性與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)需求相契合，尤其可以承載控制類實時業(yè)務(wù)。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，工業(yè)等領(lǐng)域的嚴苛要求。工業(yè)5G起到創(chuàng)新聚合的引領(lǐng)降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。二是智能融合組網(wǎng)，工業(yè)5G提供IT非實時與務(wù)共用一張網(wǎng)的能力，一網(wǎng)到底適合作為多業(yè)務(wù)融合的基礎(chǔ)。同時，5G在工業(yè)現(xiàn)場的部署以兩層架構(gòu)為主，是天然的主從式或邊-端架構(gòu)，與工業(yè)架構(gòu)的融合業(yè)控制應(yīng)用落地。5G工業(yè)模組/網(wǎng)關(guān)是現(xiàn)場設(shè)備接入5G通信的中介裝置，同時提供不同層級的工業(yè)邊緣算力，讓現(xiàn)場解決方案工業(yè)Wi-Fi主要用于實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制。Wi-Fi6（IEEE的傳輸速度、更低的時延（20微秒的超低延遲）、更穩(wěn)定的連接、更廣泛的覆敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、確定性IP（D-IDetNet等技術(shù)也可逐步迭代并深入集成工業(yè)光網(wǎng)主要包括工業(yè)PON（PassiveOpticalNetwork）和工業(yè)光總線，均基于點到多點（P2MP）技術(shù)構(gòu)建。通過P2從而簡化了工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)部署。同樣，工業(yè)光總線利用P2MP技術(shù)，通過光纖用P2MP（點對多點）架構(gòu)，實現(xiàn)了信息流的快速上傳下達，主站PLC端集成高性能光頭端模塊，而從站設(shè)備如伺服驅(qū)動器、IO模塊、工業(yè)相機等則內(nèi)置光終先進以太網(wǎng)一般指單對以太網(wǎng)（SinglePairEthernet，SPE），通類型需求。Ethernet-APL（AdvancedPhysicalLayer，雙線以太網(wǎng)物理層）基于SPE技術(shù)，用于流程行業(yè)，通過使用兩線制以太網(wǎng)來連接到現(xiàn)場設(shè)備，在10MBit/s的通信速率下，電纜長度可達到1000m，作為一個物理層，支持短距離的小型網(wǎng)絡(luò)還是在長距離的大型網(wǎng)絡(luò)中。對于過程工業(yè)而言，工業(yè)控制互操作技術(shù)通過制定統(tǒng)一的標準與協(xié)議促進了不同工業(yè)控制系統(tǒng)存消耗降低至MB級，同時通過容器線程優(yōu)先級限制，確保用于執(zhí)行控制任務(wù)的特性并進行優(yōu)化，保證容器間的切換時間降低到us級。同時，實時容器實現(xiàn)工統(tǒng)一通信架構(gòu)（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture，常提供面向工業(yè)控制系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、運行時以及行業(yè)kn功能，其運行時能夠同時適配各類主流ARM、X86架構(gòu)CPU的專用PLC硬件以及通用PC，也可安裝在滿足最低運行要求的智能設(shè)備，如樹莓派等。市場上的跨平臺編程工具實例包括Codesys、KWmultiprog、ISaGRAF、Axel、LogicLab確地解釋。IEC61499是在IEC61131-3標準基礎(chǔ)上對其進行的擴充，將IEC協(xié)同編排技術(shù)可支持將虛擬化控制器以容器或虛擬機的方式部署到通用硬件設(shè)備如邊緣控制器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器等。與Kubernetes、Kubevirt等精準感知、智能決策與自動執(zhí)行，是新型工業(yè)控制虛擬調(diào)試（VirtualCommissioning）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，括機器人和自動化設(shè)備、PLC、變頻器、電機等單元。虛擬調(diào)試在機械設(shè)計完成車制造行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，且在調(diào)試復(fù)雜的自動化項在工業(yè)控制領(lǐng)域，先進過程控制（AdvancedProcessControl，APC）是一率、減少能源消耗和降低生產(chǎn)成本。APC通常包括模型預(yù)測控制（ModelPredictiveControl，MPC）、實時優(yōu)化IP/MAC綁定等功能，可識別和預(yù)防網(wǎng)絡(luò)中病毒傳播、惡意攻擊等行為，避免其影響控制網(wǎng)絡(luò)和破壞生產(chǎn)流程，提供流量帶寬管理、NAT及IPv6隧道等功能用續(xù)性。除工業(yè)控制防火墻機制之外，邊界安全防護技術(shù)還包括入侵檢測系統(tǒng)(IDS)/入侵防御系統(tǒng)(IPS)，可監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，識別異常行為和潛在攻擊，并可以阻止可疑活動。虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)則可以提供加密的通信通道，確保遠程訪行已知漏洞的識別和檢測，及時發(fā)現(xiàn)安全漏HAVEX、沙蟲病毒等都屬于APT（高級可持續(xù)性威脅）等，傳統(tǒng)的防病毒手段、損失巨大。終端安全防護技術(shù)適用于對SCADA、DCS、PCS、PLC等工業(yè)控腳本的執(zhí)行，從而有效抵御惡意代碼，保障要存在數(shù)據(jù)傳輸路徑復(fù)雜、設(shè)備互通困難、動控制、人機界面控制等多種業(yè)務(wù)場景，生產(chǎn)現(xiàn)場通常汽車制造企業(yè)正在向用戶驅(qū)動制造C2M(Customer-to-Manufacturer)的轉(zhuǎn)控制變頻、伺服、移動機器人等多類型工控終端。車間產(chǎn)線普遍采用C2IO控制人機界面HMI等。此外，車間內(nèi)存在多種物料運送方式，通過輥床滑撬輸送、移焊裝車間內(nèi)存在多個不同類型的OT應(yīng)用。其中，安全型PLC對業(yè)務(wù)穩(wěn)定性現(xiàn)場物流AGV及在車間廣泛分布的HMI依賴5G專網(wǎng)的大覆蓋能力，可在整個作以60JPH（每小時生產(chǎn)60臺整車）新能源汽車控系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)進程間通信、設(shè)備控制器、邏輯控制等進行集中化部署，通過5GIDC的報告，全球電子設(shè)備制造業(yè)市場規(guī)模在2集中云化（vPLC）改造。這是利用虛擬化控制，部署多個v網(wǎng)絡(luò)5G核心網(wǎng)，完成高實時性要求的運動平臺前置機應(yīng)用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)和控制流。5G現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一獲取、聯(lián)合制造部門對現(xiàn)場的開放自動化+數(shù)字孿生，輔構(gòu)虛擬孿生環(huán)境，在虛擬孿生環(huán)境中可運維工程師工作量40%、柔性產(chǎn)線建設(shè)成本降低30%，從而可以減少停產(chǎn)時間以新型工業(yè)控制的引入促使工廠自動化工程師更深入地參與到產(chǎn)線的規(guī)劃與當前儀表設(shè)備普遍采用4-20mA+HART及現(xiàn)場總線等老舊低速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，復(fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)包括基于多模態(tài)特征融合的復(fù)程協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)、基于“調(diào)度-控制”雙層結(jié)構(gòu)的基于復(fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的智能動態(tài)優(yōu)化控制石油化工裝置在多個工況變化情況下的自主優(yōu)化運行。在設(shè)計階段，IDPC基于現(xiàn)在線閉環(huán)測試；在運行階段，IDPC內(nèi)置多變量回路自學(xué)習(xí)性能評估算法，可以自動給出先進控制器運行質(zhì)量的評估結(jié)果；在運維階段，IDPC結(jié)合控制器性基于復(fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的零手動操作系統(tǒng)是智能動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)和零手動操作系統(tǒng)等新型工業(yè)控制系統(tǒng)在多個石油AI大模型的深度融合，構(gòu)建出精準高效的工藝優(yōu)化體系。一方面，基于精細的一方面，AI技術(shù)的加入，極大地提升了系統(tǒng)對復(fù)雜工況變化的響應(yīng)速度和應(yīng)對力發(fā)電機組始終運行在最佳狀態(tài)，從而最大限度地捕獲通過光纖、以太網(wǎng)、5G等通信手段將機組的運行數(shù)據(jù)實時傳輸至主控室或遠程工序長、移動設(shè)備多、產(chǎn)線距離遠，需要5G等廣在新能源行業(yè)的產(chǎn)線升級中，創(chuàng)新性地引入了5G虛+PLC控制”的深度融合，不僅簡化了控制架構(gòu)，降低了總體工控成本，支持靈器即刻通過Profinet協(xié)議精準控制氣缸動作，穩(wěn)固夾持小車。同時，控制器利用Modbus協(xié)議與HMI（人機界面）建立高效通信，迅速響應(yīng)并執(zhí)行來自HMI的高效處理多個PLC任務(wù)并行執(zhí)行的情況，其中擰緊槍控制任務(wù)實現(xiàn)了最小10ms立5G數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)方案的顛覆性優(yōu)化。這一創(chuàng)新設(shè)計不設(shè)備數(shù)量與布線復(fù)雜度，更在成本控制上取得了顯著成效。相比傳統(tǒng)的PLC+5G生產(chǎn)現(xiàn)場提供了控制與計算融合設(shè)備，提升生產(chǎn)自動化同時，推動AI質(zhì)檢、邊執(zhí)行和自動化應(yīng)用程序的分發(fā)和部署。開放流程自動化（OPA）持續(xù)發(fā)布開放自5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動化聯(lián)盟、開放自動化國際組織、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等組織積極推動測試床工作，組織成員單位合作建設(shè)5G、邊緣計算等技術(shù)與工業(yè)整套5G智能化工業(yè)控制體系。其中控制器、組態(tài)套件、協(xié)議網(wǎng)關(guān)均實現(xiàn)了5G云化，并通過高實時虛擬化操作系統(tǒng)同平臺承載PLC、DCS及智能業(yè)務(wù)應(yīng)用機方案，實現(xiàn)了5G核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、算力引擎、業(yè)工業(yè)自動化廠商著重自身優(yōu)勢產(chǎn)品及解決方實踐。西門子自成體系地布局工業(yè)5G，深耕自有品牌的5G產(chǎn)品組合，通過5G網(wǎng)絡(luò)承載工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)現(xiàn)場I/O模塊的PROFINETRT通信，其5G西門子在漢諾威展發(fā)布的虛擬化PLC方案SIMATICS7-1500v，可將PLC功歐姆龍Al控制器在工業(yè)生產(chǎn)流水線加入Think算法，基于實時數(shù)據(jù)自主做制產(chǎn)品，通過強化學(xué)習(xí)人工智能算法創(chuàng)建工業(yè)控制模型，以優(yōu)化工廠中超出PID路自整定、預(yù)測控制全面應(yīng)用，通過海量運行數(shù)據(jù)的AI智能分析，實現(xiàn)工業(yè)裝用于工業(yè)控制的生成式AI工具，自動化工程師可通過自然語言輸入生成包括應(yīng)新型